Termisk kontaktledning

Inom fysiken är termisk kontaktledning studiet av värmeledning mellan fasta eller flytande kroppar i termisk kontakt . Den termiska kontaktkonduktanskoefficienten , $h_{c}$ , är en egenskap som indikerar värmeledningsförmågan , eller förmågan att leda värme , mellan två kroppar i kontakt. Det omvända av denna egenskap kallas termisk kontaktresistans .

Definition

Fig. 1: Värmeflöde mellan två fasta ämnen i kontakt och temperaturfördelningen.

När två fasta kroppar kommer i kontakt, såsom A och B i figur 1, strömmar värme från den varmare kroppen till den kallare kroppen. Erfarenhetsmässigt temperaturprofilen längs de två kropparna ungefär som visas i figuren. Ett temperaturfall observeras vid gränsytan mellan de två ytorna i kontakt. Detta fenomen sägs vara ett resultat av ett termiskt kontaktmotstånd mellan kontaktytorna. Termisk kontaktresistans definieras som förhållandet mellan detta temperaturfall och det genomsnittliga värmeflödet över gränsytan.

Enligt Fouriers lag hittas värmeflödet mellan kropparna av relationen:

q=-kA{\frac {dT}{dx}}

()

där $q$ är värmeflödet, $k$ är värmeledningsförmågan, $A$ är tvärsnittsarean och $dT/dx$ är temperaturen gradient i flödesriktningen.

Från överväganden om energibesparing återfinns värmeflödet mellan de två kropparna i kontakt, kropparna A och B, som:

q={\frac {T_{1}-T_{ 3}}{\Delta x_{A}/(k_{A}A)+1/(h_{c}A)+\Delta x_{B}/(k_{B}A)}}

()

Man kan observera att värmeflödet är direkt relaterat till värmeledningsförmågan hos kropparna i kontakt, $k_{A}$ och $k_{B}$ , kontaktytan $A$ , och den termiska kontaktresistansen, $1/h_{c}$ , som, som tidigare noterats, är inversen av värmekonduktanskoefficienten, $h_{c}$ .

Betydelse

De flesta experimentellt bestämda värden för den termiska kontaktresistansen faller mellan 0,000005 och 0,0005 m ² K/W (motsvarande område för termisk kontaktkonduktans är 200 000 till 2 000 W/m ² K). För att veta om den termiska kontaktresistansen är signifikant eller inte, jämförs storleken på skiktens termiska resistanser med typiska värden för termisk kontaktresistans. Termisk kontaktresistans är betydande och kan dominera för bra värmeledare som metaller men kan försummas för dåliga värmeledare som isolatorer. Termisk kontaktkonduktans är en viktig faktor i en mängd olika tillämpningar, till stor del eftersom många fysiska system innehåller en mekanisk kombination av två material. Några av de områden där kontaktledning är av betydelse är:

Elektronik
- Elektronisk förpackning
- Värme sjunker
- Fästen
Industri
- Kärnreaktorkylning _
- Gasturbinkylning _
- Förbränningsmotorer
- Värmeväxlare
- Värmeisolering
- Presshärdning av fordonsstål
Flyg
- Hypersoniska flygfordon _
- Termisk övervakning för rymdfarkoster
Bostads-/byggnadsvetenskap
- Utförande av byggnadskuvert

Faktorer som påverkar kontaktledningsförmågan

Fig. 2: En förstoring av gränssnittet mellan två kontaktytor. Finishkvaliteten är överdriven för argumentets skull.

Termisk kontaktledning är ett komplicerat fenomen som påverkas av många faktorer. Erfarenheten visar att de viktigaste är följande:

Kontakttryck

För termisk transport mellan två kontaktkroppar, såsom partiklar i ett granulärt medium, är kontakttrycket den faktor som har störst inverkan på den totala kontaktkonduktansen. När kontakttrycket växer ökar den verkliga kontaktytan och kontaktkonduktansen växer (kontaktresistansen blir mindre).

Eftersom kontakttrycket är den viktigaste faktorn görs de flesta studier, korrelationer och matematiska modeller för mätning av kontaktkonduktans som en funktion av denna faktor.

Det termiska kontaktmotståndet hos vissa sandwichtyper av material som tillverkas genom valsning under höga temperaturer kan ibland ignoreras eftersom minskningen i värmeledningsförmåga mellan dem är försumbar.

Interstitiellt material

Det finns inga riktigt släta ytor, och ytimperfektioner är synliga under ett mikroskop . Som ett resultat, när två kroppar pressas samman, sker kontakt endast i ett ändligt antal punkter , åtskilda av relativt stora mellanrum, som kan visas i fig. 2. Eftersom den faktiska kontaktytan minskar, uppstår ytterligare ett motstånd för värmeflödet existerar. Gaserna / vätskorna som fyller dessa luckor kan i hög grad påverka det totala värmeflödet över gränsytan. Värmeledningsförmågan hos det interstitiella materialet och dess tryck, undersökt med hänvisning till Knudsen-talet , är de två egenskaperna som styr dess inverkan på kontaktledningsförmågan och termisk transport i heterogena material i allmänhet.

I frånvaro av interstitiella material, som i ett vakuum , kommer kontaktmotståndet att vara mycket större, eftersom flödet genom de intima kontaktpunkterna är dominerande.

Ytjämnhet, vågighet och planhet

Man kan karakterisera en yta som har genomgått vissa efterbehandlingsoperationer med tre huvudegenskaper: grovhet, vågighet och fraktal dimension . Bland dessa är grovhet och fraktalitet av störst betydelse, där grovhet ofta anges i termer av ett rms -värde, $\sigma$ och ytfraktalitet betecknas generellt med D _f . Effekten av ytstrukturer på termisk ledningsförmåga vid gränssnitt är analog med konceptet med elektrisk kontaktresistans , även känd som ECR , som involverar kontaktfläcksbegränsad transport av fononer snarare än elektroner.

Ytdeformationer

När de två kropparna kommer i kontakt kan ytdeformation uppstå på båda kropparna. Denna deformation kan antingen vara plastisk eller elastisk , beroende på materialegenskaper och kontakttryck. När en yta genomgår plastisk deformation sänks kontaktmotståndet, eftersom deformationen gör att den faktiska kontaktytan ökar

Ytans renhet

Närvaron av dammpartiklar , syror etc. kan också påverka kontaktledningsförmågan.

Mätning av termisk kontaktkonduktans

Om vi går tillbaka till formel 2, kan beräkningen av den termiska kontaktkonduktansen visa sig vara svår, till och med omöjlig, på grund av svårigheten att mäta kontaktytan, $A$ (en produkt av ytegenskaper, som förklarats tidigare). På grund av detta hittas kontaktledningsförmåga/motstånd vanligtvis experimentellt genom att använda en standardapparat.

Resultaten av sådana experiment publiceras vanligtvis i teknisk litteratur , i tidskrifter som Journal of Heat Transfer , International Journal of Heat and Mass Transfer, etc. Tyvärr finns det ingen centraliserad databas med kontaktledningskoefficienter, en situation som ibland orsakar företag att använda föråldrade, irrelevanta data, eller att inte ta kontaktledning som en övervägande alls.

CoCoE (Contact Conductance Estimator), ett projekt som grundades för att lösa detta problem och skapa en centraliserad databas med kontaktledningsdata och ett datorprogram som använder det, startades 2006 .

Termisk gränskonduktans

Medan en ändlig termisk kontaktkonduktans beror på hålrum vid gränsytan, ytvågighet och ytjämnhet, etc., existerar en ändlig konduktans även vid nära idealiska gränssnitt. Denna konduktans, känd som termisk gränskonduktans , beror på skillnaderna i elektroniska och vibrationsegenskaper mellan de kontaktande materialen. Denna konduktans är i allmänhet mycket högre än termisk kontaktkonduktans, men blir viktig i materialsystem i nanoskala.

Se även

Värmeöverföring

^ Holman, JP (1997). Heat Transfer, 8:e upplagan . McGraw-Hill .
^ Çengel. Introduktion till termodynamik och värmeöverföring .
^ Fletcher, LS (november 1988). "Senaste utvecklingen inom kontaktledningsvärmeöverföring". Journal of Heat Transfer . 110 (4b): 1059–1070. Bibcode : 1988ATJHT.110.1059F . doi : 10.1115/1.3250610 .
^ Madhusudana, CV; Ling, FF (1995). Termisk kontaktledning . Springer .
^ Lambert MA; Fletcher, LS (november 1997). "Termisk kontaktledning av sfäriska grova metaller". Journal of Heat Transfer . 119 (4): 684–690. doi : 10.1115/1.2824172 .
^ ^a ^b Gan, Y; Hernandez, F; et al. (2014). "Termisk diskret elementanalys av EU Solid Breeder Blanket som utsätts för neutronbestrålning". Fusionsvetenskap och teknik . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . doi : 10.13182/FST13-727 .
^ Williamson, M.; Majumdar, A. (november 1992). "Effekt av ytdeformationer på kontaktledning". Journal of Heat Transfer . 114 (4): 802–810. doi : 10.1115/1.2911886 .
^ Heat Transfer Division (november 1970). "Konduktion i fasta ämnen - stabilt tillstånd, ofullständig metall-till-metall ytkontakt". Electric Inc.
^ ASTM D 5470 – 06 Standardtestmetod för värmeöverföringsegenskaper hos termiskt ledande elektriska isoleringsmaterial

externa länkar

Project CoCoE - Gratis programvara för att uppskatta TCC

[1] Holman, JP (1997). Heat Transfer, 8:e upplagan . McGraw-Hill .

[2] Çengel. Introduktion till termodynamik och värmeöverföring .

[3] Fletcher, LS (november 1988). "Senaste utvecklingen inom kontaktledningsvärmeöverföring". Journal of Heat Transfer . 110 (4b): 1059–1070. Bibcode : 1988ATJHT.110.1059F . doi : 10.1115/1.3250610 .

[4] Madhusudana, CV; Ling, FF (1995). Termisk kontaktledning . Springer .

[5] Lambert MA; Fletcher, LS (november 1997). "Termisk kontaktledning av sfäriska grova metaller". Journal of Heat Transfer . 119 (4): 684–690. doi : 10.1115/1.2824172 .

[fusion-6] Gan, Y; Hernandez, F; et al. (2014). "Termisk diskret elementanalys av EU Solid Breeder Blanket som utsätts för neutronbestrålning". Fusionsvetenskap och teknik . 66 (1): 83–90. arXiv : 1406.4199 . doi : 10.13182/FST13-727 .

[7] Williamson, M.; Majumdar, A. (november 1992). "Effekt av ytdeformationer på kontaktledning". Journal of Heat Transfer . 114 (4): 802–810. doi : 10.1115/1.2911886 .

[8] Heat Transfer Division (november 1970). "Konduktion i fasta ämnen - stabilt tillstånd, ofullständig metall-till-metall ytkontakt". Electric Inc.

[9] ASTM D 5470 – 06 Standardtestmetod för värmeöverföringsegenskaper hos termiskt ledande elektriska isoleringsmaterial